JP4810806B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、各種イメージセンサやカメラモジュールとして用いられる固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device used as various image sensors and camera modules.
イメージセンサに過剰な光が照射されると、フォトダイオードに過剰な電荷が発生し、隣接するフォトダイオードに漏れ出すことにより、本来の被写体にはない信号が撮像される。この現象は、一般にブルーミングと呼ばれている。 When the image sensor is irradiated with excessive light, an excessive charge is generated in the photodiode and leaks to the adjacent photodiode, whereby a signal that does not exist in the original subject is imaged. This phenomenon is generally called blooming.
ブルーミングを抑制する手段として、縦型オーバーフロードレイン(VOD:Virtical Overflow Drain)構造が知られている。図7は、VOD構造を示す断面図である。 As a means for suppressing blooming, a vertical overflow drain (VOD) structure is known. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a VOD structure.
n型半導体基板101中のp型領域102に形成されたn型領域からなるフォトダイオード103と、n型半導体基板101との間に、p型のオーバーフローバリア領域104が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域104は、フォトダイオード103を取り囲むp型領域102よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されている。
A p-type
上記の構造では、p型領域102とn型半導体基板101との間に高い逆バイアス電圧を印加しておく。フォトダイオード103に強い光Lが入ると、フォトダイオード103の余剰電荷がp型領域102を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域104を通って、n型半導体基板101にはき捨てられる。
In the above structure, a high reverse bias voltage is applied between the p-
このVOD構造の問題点は、比較的深い領域であるオーバーフローバリア領域104の不純物濃度をコントロールする必要があるために、一般的なCMOSプロセスでは形成が困難なことにある。また、そのコントロール性の難しさが、デバイスとしての歩留りに影響を与えている。さらにn型半導体基板101に比較的高い電圧を印加する必要もある。
The problem with this VOD structure is that it is difficult to form with a general CMOS process because it is necessary to control the impurity concentration of the
ブルーミングを抑制する別の手段として、横型オーバーフロードレイン(LOD:lateral Overflow Drain) 構造が知られている。図8は、LOD構造を示す断面図である。 As another means for suppressing blooming, a lateral overflow drain (LOD) structure is known. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the LOD structure.
p型領域111に形成されたn型のフォトダイオード112に対して平面的に隣接するように、n型のオーバーフロードレイン領域113が形成されており、フォトダイオード112とオーバーフロードレイン領域113との間には、p型のオーバーフローバリア領域114が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域114は、フォトダイオード112を取り囲むp型領域111よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されている。
An n-type
上記の構造では、フォトダイオード112に強い光Lが入ると、フォトダイオード112の余剰電荷がp型領域111を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域114を通って、オーバーフロードレイン領域113にはき捨てられる。
In the above structure, when strong light L enters the
このLOD構造の問題点は、オーバーフロードレイン領域113やオーバーフローバリア領域114により面積が割かれるために、画素内に占めるフォトダイオード112の面積率が低下することにある。
The problem with this LOD structure is that the area ratio of the
上記のVOD構造やLOD構造は、主としてCCD型の固体撮像装置で採用されている構造である。一方で、MOS型の固体撮像装置で採用されているオーバーフロードレイン構造を図9に示す。 The VOD structure and LOD structure described above are structures mainly employed in CCD type solid-state imaging devices. On the other hand, FIG. 9 shows an overflow drain structure employed in the MOS type solid-state imaging device.
p型領域121に形成されたn型のフォトダイオード122に対して平面的に隣接するように、n型のフローティングディフュージョン123が形成されている。さらに、フォトダイオード122と、フローティングディフュージョン123との間には、トランジスタのゲート電極124と、チャネルとなるp型のオーバーフローバリア領域125が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域125は、フォトダイオード121を取り囲むp型領域121よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されている。
An n-
上記の構造では、フォトダイオード122に強い光Lが入ると、フォトダイオード122の余剰電荷がp型領域121を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域125を通って、フローティングディフュージョン123にはき捨てられる。電荷の読み出しの際には、ゲート電極124に電圧が印加され、フォトダイオード122中の電荷はフローティングディフュージョン123に読み出されて、電荷量に応じた電圧に変換される。
In the above structure, when strong light L enters the
上記のオーバーフロードレイン構造の問題点は、フローティングディフュージョン123やオーバーフローバリア領域125により面積が割かれるために、画素内に占めるフォトダイオード122の面積率が低下することにある。さらに、オーバーフローバリア領域125は、転送トランジスタのチャネルを兼ねるため、余分な電荷をはき捨てるためにオーバーフローバリア領域125の電位障壁を低くすることと、暗電流の発生を防止するためにチャネルの電位障壁を高くすることとはトレードオフの関係にある。
The problem with the overflow drain structure is that the area ratio of the
一般的には以上のようなオーバーフロードレイン構造の問題点がある。また、上記の固体撮像装置では、トランジスタや配線が形成された側から光を受光している。このため、配線により受光のための開口率が低下する、配線のレイアウトの自由度が制限されるといった問題がある。このような問題を解決するため、半導体層の表面側に配線を形成し、半導体層の裏面側から光を入射させて撮像できるようにした裏面照射型の固定撮像装置が知られている。裏面照射型の固体撮像装置として、CCD型(例えば、特許文献1参照)とMOS型(例えば特許文献2参照)のそれぞれが提案されている。
上記の裏面照射型の固体撮像装置に、従来のVOD構造は採用できない。また、LODや図9に示す構造は、フォトダイオード以外の部分にオーバーフロードレインを設けなければならないという制約があるため、ほぼ裏面全面をフォトダイオードにしたいという裏面照射型の固体撮像装置に対する要求と相反することとなる。 The conventional VOD structure cannot be adopted for the above-described back-illuminated solid-state imaging device. In addition, since the LOD and the structure shown in FIG. 9 have a restriction that an overflow drain must be provided in a portion other than the photodiode, it conflicts with the demand for a backside illumination type solid-state imaging device that wants to make the entire back surface into a photodiode. Will be.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に裏面照射型の固体撮像装置に採用することが有効であり、フォトダイオードの面積を制限することなく、フォトダイオード中の余剰電荷を排出する構造を有する固体撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the purpose thereof is particularly effective when employed in a back-illuminated solid-state imaging device, and without limiting the area of the photodiode. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a structure for discharging surplus charges.
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、単位画素が複数配列された画素部を有するとともに、各単位画素は、第1の導電型の基板に第2の導電型の領域が形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記基板の第1面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷の読み出し用の複数のトランジスタであって、少なくとも転送トランジスタを含む複数の読み出し用のトランジスタと、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記第1面側で平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と間隔を隔てて前記基板の前記第1面側において、前記転送トランジスタにより前記フォトダイオード中の電荷が転送されるフローティングディフュージョンに形成された前記第2の導電型のオーバーフロードレイン領域と、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記オーバーフロードレイン領域とを、前記基板と同じ前記第1の導電型で、かつ、該基板の電位障壁より低い電位障壁を有する半導体領域で接続し、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域とを有する。
また、本発明の固体撮像装置は、単位画素が複数配列された画素部を有するとともに、各単位画素は、第1の導電型の基板に第2の導電型の領域が形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記基板の第1面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷の読み出し用の複数のトランジスタであって、少なくとも転送トランジスタ、及び当該転送トランジスタにより前記フォトダイオード中の電荷が転送されるフローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタを含む複数の読み出し用のトランジスタと、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記第1面側で平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と間隔を隔てて前記基板の前記第1面側において、前記増幅トランジスタのドレイン領域に形成された前記第2の導電型のオーバーフロードレイン領域と、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記オーバーフロードレイン領域とを、前記基板と同じ前記第1の導電型で、かつ、該基板の電位障壁より低い電位障壁を有する半導体領域で接続し、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域とを有する。
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present invention has a pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged, and each unit pixel has a second conductivity type region on a first conductivity type substrate. A photodiode that is formed and generates a charge corresponding to the amount of incident light, stores the generated charge, and a plurality of transistors that are formed on the first surface side of the substrate and for reading the charge stored in the photodiode A plurality of read transistors including at least a transfer transistor, and the second conductivity type region of the photodiode and the first surface side are formed so as to overlap in plane, and the photodiode of the photodiode in the first surface side of the substrate at a region and spacing of the second conductivity type, the flow charge in the photodiode by the transfer transistor is transferred Said second conductivity type overflow drain region of which is made form the I ring diffusions, said second conductivity type region and the overflow drain region of the photodiode, with the same first conductivity type as the substrate And an overflow barrier region connected to a semiconductor region having a potential barrier lower than that of the substrate, and having a potential barrier capable of discharging surplus charges in the photodiode to the overflow drain region.
In addition, the solid-state imaging device of the present invention has a pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged, and each unit pixel has a second conductivity type region formed on the first conductivity type substrate, and the incident light amount is reduced. A photodiode that generates a corresponding charge and accumulates the generated charge, and a plurality of transistors that are formed on the first surface side of the substrate and for reading the charge accumulated in the photodiode, and at least transfer A plurality of read transistors including a transistor, an amplifying transistor for amplifying a potential of a floating diffusion to which a charge in the photodiode is transferred by the transfer transistor , the region of the second conductivity type of the photodiode, and the The first surface side is formed to overlap with the second surface, and between the second conductivity type region of the photodiode. In the first surface side of the substrate at a, and the second conductivity type overflow drain region of which is made form the drain region before Symbol amplification transistor, the second conductivity type region of the photodiode And the overflow drain region are connected by a semiconductor region having the same first conductivity type as that of the substrate and having a potential barrier lower than that of the substrate, and surplus charges in the photodiode are transferred to the overflow drain And an overflow barrier region having a potential barrier that can be discharged to the region.
上記の本発明の固体撮像装置では、基板に光が入射されると、フォトダイオードで光電変換されて、入射光量に応じた電荷が発生する。発生した電荷はフォトダイオード中に蓄積される。フォトダイオードに強い光が当たり、フォトダイオードで蓄積し得る限度以上の電荷が発生すると、余剰電荷はオーバーフローバリア領域を通ってオーバーフロードレイン領域に排出される。この余剰電荷の排出先となるオーバーフロードレイン領域がフォトダイオードと平面的に重なっていることから、フォトダイオードの面積が制限されることがない。また、オーバーフローバリア領域は、フォトダイオードよりも第1面側、すなわち浅い領域に形成されていることから、当該領域のポテンシャル制御が容易となる。 In the solid-state imaging device of the present invention described above, when light is incident on the substrate, photoelectric conversion is performed by the photodiode, and a charge corresponding to the amount of incident light is generated. The generated charge is accumulated in the photodiode. When intense light hits the photodiode and charges exceeding the limit that can be accumulated in the photodiode are generated, excess charge is discharged to the overflow drain region through the overflow barrier region. Since the overflow drain region from which the excess charge is discharged overlaps the photodiode in a planar manner, the area of the photodiode is not limited. In addition, since the overflow barrier region is formed on the first surface side, that is, in a shallow region from the photodiode, the potential control of the region is facilitated.
本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオードの面積を制限することなく、フォトダイオード中の余剰電荷を排出する構造を備えている。このため、フォトダイオードの面積を大きくとることができ、ブルーミングを抑えた固体撮像装置を提供することができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, a structure for discharging surplus charges in the photodiode is provided without limiting the area of the photodiode. For this reason, the area of the photodiode can be increased, and a solid-state imaging device with reduced blooming can be provided.
以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、裏面照射型のCMOSイメージセンサを例にとって説明する。 Embodiments of a solid-state imaging device of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, a backside illuminated CMOS image sensor will be described as an example.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging apparatus according to the present embodiment.
固体撮像装置は、画素部11と、垂直選択回路12と、S/H(サンプル/ホールド)・CDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング) 回路13と、水平選択回路14と、タイミングジェネレータ(TG)15と、AGC(Automatic Gain Control) 回路16と、A/D変換回路17とデジタルアンプ18とを有し、これらが同一の半導体基板上に搭載された構成となっている。
The solid-state imaging device includes a
画素部11は、後述する単位画素が行列状に多数配列され、行単位でアドレス線等が、列単位で垂直信号線がそれぞれ配線された構成となっている。
The
垂直選択回路12は、画素を行単位で順に選択し、各画素の信号を垂直信号線を通して画素列毎にS/H・CDS回路13に読み出す。S/H・CDS回路13は、各画素列から読み出された画素信号に対し、CDS等の信号処理を行う。
The
水平選択回路14は、S/H・CDS回路13に保持されている画素信号を順に取り出し、AGC回路16に出力する。AGC回路16は、水平選択回路14から入力した信号を適当なゲインで増幅し、A/D変換回路17に出力する。
The
A/D変換回路17は、AGC回路16から入力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルアンプ18に出力する。デジタルアンプ18は、A/D変換回路17から入力したデジタル信号を適当に増幅して、出力端子より出力する。
The A /
垂直選択回路12、S/H・CDS回路13、水平選択回路14、AGC回路16、A/D変換回路17およびデジタルアンプ18の各動作は、タイミングジェネレータ15で発生される各種のタイミング信号に基づいて行われる。
The operations of the
図2は、画素部11の単位画素の回路構成の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a unit pixel of the
単位画素は、光電変換素子として例えばフォトダイオード21を有し、この1個のフォトダイオード21に対して、転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、アドレストランジスタ24、リセットトランジスタ25の4個の読み出し用のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。
The unit pixel includes, for example, a
フォトダイオード21は、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは電子)に光電変換する。転送トランジスタ22は、フォトダイオード21とフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、駆動配線26を通じてそのゲートに駆動信号が与えられることで、フォトダイオード21で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
The
フローティングディフュージョンFDには増幅トランジスタ23のゲート電極32が接続されている。増幅トランジスタ23は、アドレストランジスタ24を介して垂直信号線27に接続され、画素部外の定電流源Iとソースフォロアを構成している。そして、駆動配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ24のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ24がオンすると、増幅トランジスタ23はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線27に出力する。垂直信号線27は、各画素から出力された電圧をS/H・CDS回路13に伝送する。
The
リセットトランジスタ25は電源VddとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、駆動配線29を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源Vddの電位にリセットする。これらの動作は、転送トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25の各ゲートが行単位で配線されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
The
図3は、固体撮像装置の画素部11の概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
半導体基板30には、画素部11において単位画素を構成するフォトダイオード21が複数配列して形成されている。半導体基板30は、例えばp型シリコンエピタキシャル基板により構成され、フォトダイオード21は当該基板に形成されたn型領域により構成される。半導体基板30の厚さは、固体撮像装置の仕様によるが、可視光用の場合には4〜6μmであり、近赤外線用では6〜10μmとなる。
In the
半導体基板30へ光Lが入射する面とは反対側の面(第1面)には、図2を参照して説明したトランジスタのゲート電極31,32が形成されている。なお、画素部以外の領域においても、半導体基板30の第1面には、各回路12〜18を構成するトランジスタ等の素子が形成されている。
The
半導体基板30の第1面上には、配線層40が形成されている。図3では、3層配線を例示しており、配線層40は、層間絶縁膜41に埋め込まれた配線42を有する。各配線42は、それぞれ図2の駆動配線26,28,29や垂直信号線27に相当する。
A
配線層40上には、半導体基板30の強度を補強するための支持基板50が形成されている。支持基板50は、半導体基板30との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するため、例えば、半導体基板30と同じシリコンにより形成される。
A
半導体基板30の他方面、すなわち光入射面(第2面)上には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜61が形成されている。絶縁膜61上には、例えばアルミニウムや銅からなる遮光膜62が形成されている。遮光膜62には、画素のフォトダイオード21に光が入射し得るように開口部62aが形成されている。
On the other surface of the
遮光膜62を被覆するように絶縁膜61上には、例えば窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜63が形成されている。パッシベーション膜63上には、カラーフィルタ64やオンチップレンズ65が形成されている。
A
図4は、半導体基板30の構造の一例を示す断面図である。なお、図4では、図3とは上下が反転している。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the
p型の半導体基板30には、上記したn型のフォトダイオード21が形成されている。ゲート電極31は、光入射面へいくに従って受光面積が大きくなるように形成されている。フォトダイオード21のn型不純物濃度は、例えば1×1015cm-3〜1×1016cm-3程度である。フォトダイオード21の深さd1は、固体撮像装置の仕様にもよるが、例えば、3〜9μm程度である。
The n-
半導体基板30の第1面上には、転送トランジスタ22のゲート電極31や、増幅トランジスタ23のゲート電極32が形成されている。さらに、フォトダイオード21と平面的に重なりをもって、フォトダイオード21よりも第1面側に、n型のフローティングディフュージョン33と、ゲート電極32のn型のドレイン領域34およびn型のソース領域35が形成されている。このように、本実施形態ではフォトダイオード21の面積を最大限にするため、フォトダイオード21は、トランジスタ22,23と平面的に重なりをもって形成されている。
On the first surface of the
フローティングディフュージョン33と、フォトダイオード21との間には、p型のオーバーフローバリア領域36が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域36は、フォトダイオード21を取り囲むp型の半導体基板30よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されている。すなわち、オーバーフローバリア領域36のp型不純物濃度は、半導体基板30のp型不純物濃度よりも低い。例えば、半導体基板30のp型不純物濃度は、1×1014cm-3〜1×1015cm-3であり、オーバーフローバリア領域36のp型不純物濃度はこれよりも低い1×1014cm-3以下である。むしろごく薄くn型に反転していてもよい。
A p-type
フォトダイオード21に平面的に重なるようにして形成された各種の半導体領域、すなわち、フローティングディフュージョン33、ドレイン領域34、ソース領域35の深さd2は、例えば0.5μmである。これらの領域33,34,35と、フォトダイオード21とは断面的には重ならないように、フォトダイオード21の不純物プロファイルが制御される。例えば、これらの領域33,34,35とフォトダイオード21との間隔d3は、0.3μm以上開ける。この間隔d3は、オーバーフローバリア領域36の深さに相当する。
The depth d2 of various semiconductor regions formed so as to overlap the
上記の固体撮像装置の動作について説明する。 The operation of the solid-state imaging device will be described.
図3に示すように、入射した光Lは、オンチップレンズ65によって集光されて、カラーフィルタ64に入射する。カラーフィルタ64では、所望の波長領域の光のみが通過する。カラーフィルタ64を通過した光は、遮光膜62の開口62aを通って半導体基板30に形成されたフォトダイオード21に入射する。
As shown in FIG. 3, the incident light L is collected by the on-
図4に示すように、半導体基板30のフォトダイオード21に入射した光Lは、フォトダイオード21により光電変換されて、入射光量に応じた電荷(ここでは電子)が発生する。発生した光は、フォトダイオード21内に一定期間蓄積される。
As shown in FIG. 4, the light L incident on the
ここで、フォトダイオード21に強い光が入射した場合には、フォトダイオード21で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板30よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域36を通って、フローティングディフュージョン33にはき捨てられる。
Here, when strong light is incident on the
例えば電荷の読み出し以外の期間は、リセットトランジスタ25を常時ONしておき、フローティングディフュージョンFDをオーバーフロードレインとして機能させておく。読み出し時は、まず、リセットトランジスタ25をOFFし、リセットを終了する。その後、転送トラジスタ22のゲート電極31に駆動信号が与えられて、フォトダイオード21で光電変換された電子はフローティングディフュージョン33(FD)に転送される。
For example, during a period other than the charge reading, the
電子がフローティングディフュージョン33(FD)に転送されると、駆動配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ24のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ24がオン状態となる(図2参照)。そして、増幅トランジスタ23によりフローティングディフュージョン33(FD)の電位が増幅されて、その電位に応じた電圧が垂直信号線27に出力される。
When electrons are transferred to the floating diffusion 33 (FD), an address signal is applied to the gate of the
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード21と平面的に重なりをもったフローティングディフュージョン33を形成し、当該フローティングディフュージョン33を余剰電荷をはき捨てるためのオーバーフロードレイン領域として利用することにより、画素に占めるフォトダイオード21の面積が減少することがない。このため、フォトダイオード21の面積を大きくとることができ、かつ、ブルーミングを抑えることができる。
As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, the floating
さらに、フローティングディフュージョン33をオーバーフロードレイン領域として利用していることから、フローティングディフュージョン33の直下にオーバーフローバリア領域36を設けることのみで電荷はき捨て機能を実現できる。すなわち、電荷はき捨て機能のために余計な素子を新たに形成することもない。
Further, since the floating
また、フローティングディフュージョン33直下にオーバーフローバリア領域36を形成していることから、一般的なCMOSプロセスでオーバーフローバリア領域36の不純物濃度の制御が可能である。すなわち、半導体基板30の光入射面の反対側の面(第1面)側からイオン注入等を施すため、深い領域にイオン注入する必要がなく、安定したオーバーフローバリア領域36の形成が可能となる。
Further, since the
特に本実施形態のように、トランジスタ等の素子を半導体基板30の第1面側に形成し、第2面側から光を入射する裏面照射型固体撮像装置においては、裏面の開口率を著しく高くできる利点がある。また、上記のオーバーフロー機能は、CMOSデバイスで仕様する一般的な電源電圧Vdd(3.3V程度)で動作可能である。
In particular, in the backside illumination type solid-state imaging device in which elements such as transistors are formed on the first surface side of the
(第2実施形態)
本実施形態では、オーバーフロードレイン領域として増幅トランジスタ23のドレイン領域34を利用するものである。なお、図1〜図3の説明は本実施形態においても同様に適用される。
(Second Embodiment)
In this embodiment, the
図5は、本実施形態に係る半導体基板30の構造の一例を示す断面図である。なお、第1実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the
本実施形態では、増幅トランジスタ23のドレイン領域34とフォトダイオード21の間には、p型のオーバーフローバリア領域36が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域36は、フォトダイオード21を取り囲むp型の半導体基板30よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されていることは、第1実施形態と同様である。
In the present embodiment, a p-type
上記したように、本実施形態では、増幅トランジスタ23のドレイン領域34を、オーバーフロードレイン領域として利用する。図2を用いて説明したように、増幅トランジスタ23の端子(ドレイン領域34)は、電源Vddの電位に固定されている。
As described above, in this embodiment, the
フォトダイオード21の深さd1や、各種の領域33,34,35の深さd2や、これらの領域33,34,35とフォトダイオード21との間隔d3については、第1実施形態と同様である。
The depth d1 of the
上記の固体撮像装置の動作について説明する。 The operation of the solid-state imaging device will be described.
図3に示すように、入射した光Lは、オンチップレンズ65によって集光されて、カラーフィルタ64に入射する。カラーフィルタ64では、所望の波長領域の光のみが通過する。カラーフィルタ64を通過した光は、遮光膜62の開口62aを通って半導体基板30に形成されたフォトダイオード21に入射する。
As shown in FIG. 3, the incident light L is collected by the on-
図5に示すように、半導体基板30のフォトダイオード21に入射した光Lは、フォトダイオード21により光電変換されて、入射光量に応じた電荷(ここでは電子)が発生する。発生した光は、フォトダイオード21内に一定期間蓄積される。
As shown in FIG. 5, the light L incident on the
ここで、フォトダイオード21に強い光が入射した場合には、フォトダイオード21で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板30よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域36を通って、ドレイン領域34にはき捨てられる。
Here, when strong light is incident on the
電荷の読み出しの際には、転送トランジスタ22のゲート電極31に駆動信号が与えられて、フォトダイオード21で光電変換された電子はフローティングディフュージョン33(FD)に転送される。
When reading out electric charges, a drive signal is given to the
電子がフローティングディフュージョン33(FD)に転送されると、駆動配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ24のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ24がオン状態となる(図2参照)。そして、増幅トランジスタ23によりフローティングディフュージョン33(FD)の電位が増幅されて、その電位に応じた電圧が垂直信号線27に出力される。
When electrons are transferred to the floating diffusion 33 (FD), an address signal is applied to the gate of the
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によっても第1実施形態と同様の効果を奏することができる。 As described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained by the solid-state imaging device according to this embodiment.
(第3実施形態)
本実施形態では、画素を構成するトランジスタのドレイン領域を利用するのではなく、n型領域からなるオーバーフロードレイン領域を別個に設けるものである。なお、図1〜図3の説明は本実施形態においても同様に適用される。
(Third embodiment)
In this embodiment, the drain region of the transistor constituting the pixel is not used, but an overflow drain region composed of an n-type region is provided separately. The description of FIGS. 1 to 3 is similarly applied to the present embodiment.
図6は、本実施形態に係る半導体基板30の構造の一例を示す断面図である。なお、第1実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the
半導体基板30に形成されたフォトダイオード21と平面的に重なりをもって、フォトダイオード21よりも第1面側に、n型のフローティングディフュージョン33の他、n型のオーバーフロードレイン領域37が形成されている。オーバーフロードレイン領域37は、電源Vddの電位に固定されている。なお、図示はしないが、増幅トランジスタ23のソース領域やドレイン領域も形成されている。
In addition to the n-
オーバーフロードレイン領域37とフォトダイオード21との間には、p型のオーバーフローバリア領域36が形成されている。p型のオーバーフローバリア領域36は、フォトダイオード21を取り囲むp型の半導体基板30よりも電子に対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは高くなる)ようにp型不純物濃度が規定されていることは、第1実施形態と同様である。
A p-type
フォトダイオード21に平面的に重なるようにして形成された各種の領域、すなわち、フローティングディフュージョン33およびオーバーフロードレイン領域37の深さd2は、例えば0.5μmである。これらの領域33,37とフォトダイオード21との間隔d3は、第1実施形態と同様である。
The depths d2 of various regions formed so as to overlap the
上記の固体撮像装置の動作について説明する。 The operation of the solid-state imaging device will be described.
図3に示すように、入射した光Lは、オンチップレンズ65によって集光されて、カラーフィルタ64に入射する。カラーフィルタ64では、所望の波長領域の光のみが通過する。カラーフィルタ64を通過した光は、遮光膜62の開口62aを通って半導体基板30に形成されたフォトダイオード21に入射する。
As shown in FIG. 3, the incident light L is collected by the on-
図6に示すように、半導体基板30のフォトダイオード21に入射した光Lは、フォトダイオード21により光電変換されて、入射光量に応じた電荷(ここでは電子)が発生する。発生した光は、フォトダイオード21内に一定期間蓄積される。
As shown in FIG. 6, the light L incident on the
ここで、フォトダイオード21に強い光が入射した場合には、フォトダイオード21で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板30よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域36を通って、オーバーフロードレイン領域37にはき捨てられる。
Here, when strong light is incident on the
電荷の読み出しの際には、転送トランジスタ22のゲート電極31に駆動信号が与えられて、フォトダイオード21で光電変換された電子はフローティングディフュージョン33(FD)に転送される。
When reading out electric charges, a drive signal is given to the
電子がフローティングディフュージョン33(FD)に転送されると、駆動配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ24のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ24がオン状態となる(図2参照)。そして、増幅トランジスタ23によりフローティングディフュージョン33(FD)の電位が増幅されて、その電位に応じた電圧が垂直信号線27に出力される。
When electrons are transferred to the floating diffusion 33 (FD), an address signal is applied to the gate of the
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によっても第1実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態では、別個のオーバーフロードレイン領域37を設けているが、フォトダイオード21と平面的に重なるような配置であるため、フォトダイオード21の受光面積を制限することはない。
As described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained by the solid-state imaging device according to this embodiment. In the present embodiment, a separate
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、第2実施形態では、画素を構成するトランジスタのうち、増幅トランジスタ23のドレイン領域34をオーバーフロードレイン領域として利用する例について説明したが、これ以外にも例えば電源電位に固定されるような他のトランジスタのドレイン領域や、トランジスタ以外のn型領域を利用することもできる。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, in the second embodiment, the example in which the
また、本実施形態では、信号電荷として電子を用いる例について説明したが、ホール(正孔)を用いる場合には、各種の領域の極性は逆となる。例えば、フォトダイオード21、フローティングディフュージョン33、ドレイン領域34、オーバーフロードレイン領域37はp型となり、半導体基板30やオーバーフローバリア領域36はn型となる。この場合には、オーバーフローバリア領域36は、フォトダイオード21を取り囲むn型の半導体基板30よりもホールに対する電位障壁が低くなる(ポテンシャルは低くなる)ようにn型不純物濃度が規定される。オーバーフロードレイン領域37や、オーバーフロードレイン領域として利用されるドレイン領域34は接地電位に固定される。また、オーバーフロードレイン領域として利用されるフローティングディフュージョン33は接地電位にリセットされる。
In this embodiment, an example in which electrons are used as signal charges has been described. However, when holes are used, the polarities of various regions are reversed. For example, the
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。 In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
11…画素部、12…垂直選択回路、13…S/H・CDS回路、14…水平選択回路、15…タイミングジェネレータ、16…AGC回路、17…A/D変換回路、18…デジタルアンプ、21…フォトダイオード、22…転送トランジスタ、23…増幅トランジスタ、24…アドレストランジスタ、25…リセットトランジスタ、26,28,29…駆動配線、27…垂直信号線、30…半導体基板、31…ゲート電極、32…ゲート電極、33…フローティングディフュージョン、34…ドレイン領域、35…ソース領域、36…オーバーフローバリア領域、37…オーバーフロードレイン領域、40…配線層、41…層間絶縁膜、42…配線、50…支持基板、61…絶縁膜、62…遮光膜、62a…開口部、63…パッシベーション膜、64…カラーフィルタ、65…オンチップレンズ、101…n型半導体基板、102…p型領域、103…フォトダイオード、104…オーバーフローバリア領域、111…p型領域、112…フォトダイオード、113…オーバーフロードレイン領域、114…オーバーフローバリア領域、121…p型領域、122…フォトダイオード、123…フローティングディフュージョン、124…ゲート電極、125…オーバーフローバリア領域
DESCRIPTION OF
Claims (13)
各単位画素は、
第1の導電型の基板に第2の導電型の領域が形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、
前記基板の第1面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷の読み出し用の複数のトランジスタであって、少なくとも転送トランジスタを含む複数の読み出し用のトランジスタと、
前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記第1面側で平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と間隔を隔てて前記基板の前記第1面側において、前記転送トランジスタにより前記フォトダイオード中の電荷が転送されるフローティングディフュージョンに形成された前記第2の導電型のオーバーフロードレイン領域と、
前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記オーバーフロードレイン領域とを、前記基板と同じ前記第1の導電型で、かつ、該基板の電位障壁より低い電位障壁を有する半導体領域で接続し、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域と
を有する固体撮像装置。 While having a pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged,
Each unit pixel is
A photodiode having a second conductivity type region formed on the first conductivity type substrate, generating a charge corresponding to the amount of incident light, and storing the generated charge;
A plurality of transistors for reading charges formed on the first surface side of the substrate and accumulated by the photodiodes, and a plurality of transistors for reading including at least a transfer transistor ;
The first conductivity type region of the photodiode is formed to overlap the second conductivity type region of the photodiode on the first surface side, and is spaced apart from the second conductivity type region of the photodiode. in the surface side, and the second conductivity type overflow drain region of charge in the photodiode is made form the floating diffusion which is transferred by the transfer transistor,
The region of the second conductivity type of the photodiode and the overflow drain region are connected by a semiconductor region having the same first conductivity type as the substrate and having a potential barrier lower than the potential barrier of the substrate. And an overflow barrier region having a potential barrier capable of discharging surplus charges in the photodiode to the overflow drain region.
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein light is irradiated to the photodiode from the second surface side of the substrate.
請求項2記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the photodiode is formed so that a light receiving area increases from the first surface side toward the second surface side.
請求項3記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the photodiode is formed so as to overlap with at least the transfer transistor in a planar manner among the plurality of readout transistors.
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first conductivity type substrate is formed of a P-type semiconductor, and the second conductivity type region is formed of an N-type semiconductor.
請求項5記載の固体撮像装置。 6. The P-type impurity concentration of the substrate is 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 15 cm −3 , and the P-type impurity concentration of the overflow barrier region is 1 × 10 14 cm −3 or less. The solid-state imaging device described.
請求項6記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the overflow barrier region is inverted to an N type.
前記転送トランジスタ及び前記増幅トランジスタと前記フォトダイオードとが断面的には重ならないように、前記フローティングディフュージョン及び前記増幅トランジスタのドレイン領域とソース領域と、前記フォトダイオードとの間隔を所定距離以上開ける
請求項1記載の固体撮像装置。 The plurality of read transistors further include an amplification transistor,
Wherein as the transfer transistor and the amplifier transistor and said photodiode are not overlapped in the cross-sectionally, claim opening said drain region and the source region of the floating diffusion and the amplifying transistor, an interval more than a predetermined distance between the photodiode The solid-state imaging device according to 1.
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the overflow barrier region is formed by ion implantation from the first surface side.
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a support substrate is formed on the wiring on the first surface side through an interlayer insulating film in order to reinforce the strength of the substrate.
各単位画素は、
第1の導電型の基板に第2の導電型の領域が形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、
前記基板の第1面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷の読み出し用の複数のトランジスタであって、少なくとも転送トランジスタ、及び当該転送トランジスタにより前記フォトダイオード中の電荷が転送されるフローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタを含む複数の読み出し用のトランジスタと、
前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記第1面側で平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と間隔を隔てて前記基板の前記第1面側において、前記増幅トランジスタのドレイン領域に形成された前記第2の導電型のオーバーフロードレイン領域と、
前記フォトダイオードの前記第2の導電型の領域と前記オーバーフロードレイン領域とを、前記基板と同じ前記第1の導電型で、かつ、該基板の電位障壁より低い電位障壁を有する半導体領域で接続し、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域と
を有する固体撮像装置。 While having a pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged,
Each unit pixel is
A photodiode having a second conductivity type region formed on the first conductivity type substrate, generating a charge corresponding to the amount of incident light, and storing the generated charge;
A plurality of transistors for reading charges accumulated in the photodiode formed on the first surface side of the substrate , at least a transfer transistor, and a floating in which the charge in the photodiode is transferred by the transfer transistor A plurality of readout transistors including an amplification transistor for amplifying the potential of the diffusion ;
The first conductivity type region of the photodiode is formed to overlap the second conductivity type region of the photodiode on the first surface side, and is spaced apart from the second conductivity type region of the photodiode. in the surface side, and the second conductivity type overflow drain region of which is made form the drain region before Symbol amplification transistor,
The region of the second conductivity type of the photodiode and the overflow drain region are connected by a semiconductor region having the same first conductivity type as the substrate and having a potential barrier lower than the potential barrier of the substrate. And an overflow barrier region having a potential barrier capable of discharging surplus charges in the photodiode to the overflow drain region.
請求項11記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the photodiode is formed such that a light receiving area increases from the first surface side toward a second surface side irradiated with light from the substrate.
請求項11記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the photodiode is formed so as to overlap with at least the amplification transistor in a planar manner among the plurality of readout transistors .
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